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전위차 없이도 전류 흐르는 나노튜브 벌크광기전효과 규명

연합뉴스 입력 06.28.2022 09:01 AM 조회 221
UNIST·인천대 공동연구…"신개념 태양전지 소재 개발에 도움"
UNIST 박노정 교수 [울산과학기술원 제공. 재판매 및 DB 금지]

울산과학기술원(UNIST)은 물리학과 박노정 교수팀이 인천대 김정우 교수와 함께 다층 나노튜브 형태의 이황화텅스텐에서 벌크 광전류가 증가하는 원인을 규명했다고 27일 밝혔다.

연구팀은 또 이를 기반으로 반도체 나노튜브에 흐르는 광전류 크기를 2.5배 이상 증가시킬 수 있는 물질 구조도 이론적으로 제시했다.

전기는 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르듯 전위차가 있어야 전자가 흐른다.

하지만 일부 물질에서는 전위차 없이 전자가 스스로 흘러 전기를 만드는 벌크 광기전 효과(물질 내부의 비대칭성만을 이용해 광전류를 발생시키는 방법) 현상이 발견돼 많은 물리학자가 이를 연구해 왔다.

특히 2차원 반도체 물질을 돌돌 말아 튜브 형태로 만들면 그 효과가 극적으로 커지는데 연구팀이 이 원리를 밝혀낸 것이다.

연구팀에 따르면 광전류 증가 원인은 나노튜브의 다층 구조로 생기는 전하 이동 때문이다.

이 다층 나노튜브는 평판 형태 이황화텅스텐이 돌돌 말려 나이테와 같은 구조를 형성하고 있다.

또 이황화텅스텐의 황 원자 한 개를 셀레늄으로 바꿔줄 경우 다층 나노튜브 벽 사이의 전하 이동이 더 활발해진다.



이중층 나노튜브 구조 모식도와 광전류가 증가하는 원인을 분석한 그래프. [울산과학기술원 제공. 재판매 및 DB 금지]





연구팀은 이 효과가 2.5배 증가할 수 있는 이론 시뮬레이션 결과도 제시했다.

연구팀은 이번 발견이 태양전지의 이론적 한계 효율을 극복할 신개념 태양전지 소재를 개발하는 데 도움이 될 것으로 보고 있다.

태양전지 분야에는 태양광을 전력으로 변환하는 효율이 33.7%를 절대 넘지 못한다는 '쇼클리-퀘이서'(Shockley-Queisser) 법칙이 절대적이었는데, 전위차를 걸어주기 위한 'p-n 접합'(p타입 반도체와 n타입 반도체를 접합한 구조)의 한계 때문이다.

p-n 접합형 태양전지는 전류를 키우면 전압이 줄고 전압을 늘리면 전류가 줄어드는데, 벌크 광기전 효과는 전류와 전압 크기를 동시에 키우는 것이 가능하다고 연구팀은 설명했다.

연구팀 관계자는 "이번 성과는 빛을 흡수해 실시간으로 바뀌는 반도체 물질 내부의 전자 구조를 정확하게 분석할 수 있는 밀도범함수 계산 능력을 보유한 덕분"이라며 "신개념 태양전지를 비롯해 충전 없이 동작하는 적외선 센서, 차세대 반도체 소자 등을 개발하는 데 도움이 될 것"이라고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스'(Nature Communications)에 10일 자로 게재됐다.

연구 수행은 한국연구재단의 지원을 받아 이뤄졌다.
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